慕建利,諶云,李澤椿

(1.中國(guó)氣象局 公共氣象服務(wù)中心,北京 100081;2.國(guó)家氣象中心,北京 100081)

一次陜西關(guān)中強(qiáng)暴雨環(huán)境條件及中尺度系統(tǒng)分析

慕建利1,諶云2,李澤椿2

(1.中國(guó)氣象局 公共氣象服務(wù)中心,北京 100081;2.國(guó)家氣象中心,北京 100081)

綜合利用T213再分析資料和高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料包括地面區(qū)域逐時(shí)加密觀測(cè)資料,對(duì)2007年8月8—9日陜西關(guān)中特大暴雨過程的環(huán)境條件和中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了分析。天氣學(xué)分析表明:500 hPa西太平洋副熱帶高壓和青藏高原高壓形成的高壓壩在陜西中部斷裂形成東北—西南向切變線、250 hPa西風(fēng)急流入口區(qū)右側(cè)發(fā)散場(chǎng)和700 hPa東西向切變線相互配合是特大暴雨形成的有利環(huán)境條件;低層風(fēng)向快速變化使關(guān)中暴雨區(qū)低空水汽經(jīng)歷了減小—突然增加—快速減小的過程,關(guān)中周圍水汽通過偏東氣流輸送至暴雨區(qū)為暴雨的發(fā)生提供了水汽和位勢(shì)不穩(wěn)定條件,而水汽的快速變化又形成關(guān)中暴雨的突發(fā)性和歷時(shí)短而強(qiáng)的特征;高空反氣旋渦度的發(fā)展形成強(qiáng)烈的“抽吸作用”、雙圈垂直次級(jí)環(huán)流和強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)及其兩側(cè)的弱下沉運(yùn)動(dòng)形成的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)是暴雨形成的動(dòng)力機(jī)制。強(qiáng)降水的中尺度特征分析顯示:強(qiáng)暴雨是由一個(gè)中α尺度對(duì)流系統(tǒng)(MαCS)的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生的,MαCS又是由2個(gè)中β尺度對(duì)流系統(tǒng)(MβCS)合并發(fā)展而成,其內(nèi)部對(duì)流單體的發(fā)展合并和獨(dú)立加強(qiáng)形成岐山、禮泉和高陵3個(gè)大暴雨中心,這些對(duì)流單體的發(fā)展是由地面中尺度輻合系統(tǒng)產(chǎn)生的,強(qiáng)降水的強(qiáng)弱與地面中尺度輻合系統(tǒng)的強(qiáng)弱有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,地面中尺度輻合系統(tǒng)的形成和加強(qiáng)可能是強(qiáng)降水的觸發(fā)機(jī)制和增幅原因之一。

特大暴雨;環(huán)境條件;中緯度高壓壩;中β尺度對(duì)流系統(tǒng)

0 引言

暴雨一直是天氣預(yù)報(bào)和服務(wù)的重點(diǎn),更是預(yù)報(bào)的難中之難,因此始終是各國(guó)氣象工作者或?qū)W者研究的重要內(nèi)容之一。國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江流域、華南、華北等暴雨進(jìn)行了大量的研究,取得了一系列的科研成果(陸爾和丁一匯,1996;陸爾等,1997;王建捷和郭肖容,1997;Blanchard et al.,1998;薛紀(jì)善,1999;陳紅和趙思雄,2000;呂艷彬等，2002；孫建華和趙思雄,2002;Jorgensen et al.,2002;Chiao and Lin,2003;Brian,2004;柳艷菊等,2005;Joseph and Sobel,2005;張恒德等,2011;趙玉春等,2011;郭蕊等,2013),揭示了南方中尺度暴雨發(fā)生發(fā)展的大尺度環(huán)境背景和中小尺度的細(xì)微結(jié)構(gòu)演變特征。陸爾和丁一匯(1996)、陸爾等(1997)研究指出,江淮持續(xù)性特大暴雨的形成不僅與東南季風(fēng)爆發(fā)和活動(dòng)密切相關(guān),暴雨的維持和結(jié)束與西南季風(fēng)北上南下有直接的關(guān)系,強(qiáng)冷空氣南下與低緯暖濕氣流結(jié)合是暴雨形成的重要條件。薛紀(jì)善(1999)對(duì)華南暴雨研究表明,華南前汛期持續(xù)性暴雨是在冷空氣、低空西南/南風(fēng)急流、低緯度環(huán)流形勢(shì)、南海季風(fēng)共同作用的背景條件下發(fā)生的,低空急流的強(qiáng)弱變化與低緯度環(huán)流密切相關(guān)。馮伍虎等(2001)分析指出,1996年8月3—5日河北特大暴雨發(fā)生在西西伯利亞低槽、印度季風(fēng)、西太平洋副熱帶高壓、西亞副熱帶高壓構(gòu)成穩(wěn)定的大型鞍形場(chǎng)的大尺度條件下。陳茂欽和徐海明(2011)對(duì)江淮鋒面和華南暖區(qū)的暴雨對(duì)比分析顯示,其影響系統(tǒng)均與低空切變線和鋒面密切關(guān)聯(lián),江淮暴雨主要發(fā)生在長(zhǎng)江中下游的低空切變線的南側(cè)、地面鋒面上,華南暴雨主要發(fā)生在廣東沿海一帶的低空切變線南側(cè)、地面鋒前強(qiáng)盛的西南氣流里。長(zhǎng)江中下游暴雨野外科學(xué)試驗(yàn)研究中,通過實(shí)時(shí)觀測(cè)資料的分析歸納出暴雨中尺度三維結(jié)構(gòu)特征,包括中尺度對(duì)流輻合線、中β尺度、中γ尺度的三維結(jié)構(gòu)模型(倪允琪和周秀驥,2006)。Jorgensen et al.(2002)對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果與雷達(dá)回波資料表明,鋒前有明顯的狹窄線狀回波存在,狹窄回波雨帶的垂直分布結(jié)構(gòu)類似于冷池分布結(jié)構(gòu)。陜西暴雨研究也取得了較大進(jìn)展(劉子臣和張健宏,1995;劉子臣等,1997;梁生俊等,2002;張弘等,2003,2007;杜繼穩(wěn),2005,2007;井喜等,2005;劉勇,2005;劉勇和張科翔,2005;慕建利等,2005,2006,2009;畢寶貴等,2006;許新田等,2006;王文和程攀,2013)。研究表明,陜西突發(fā)性暴雨發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)在500 hPa上空可分為4種類型,分別為“低槽副高型”、“副高控制型”、“西北氣流型”和“中緯度高壓壩控制”(杜繼穩(wěn),2005;慕建利,2006)。低空偏南風(fēng)急流或偏東風(fēng)急流(高風(fēng)速帶)將暖濕空氣從孟加拉灣、南海和東海輸送至陜南,促使不穩(wěn)定層結(jié)的形成,為暴雨區(qū)提供了充沛的水汽條件和必要熱力條件(畢寶貴等,2006;杜繼穩(wěn),2007)。高低空急流耦合為強(qiáng)對(duì)流發(fā)展創(chuàng)造了中尺度環(huán)境背景,其形成的次級(jí)環(huán)流不僅使暴雨區(qū)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)和維持,而且使高低層輻散輻合、水汽輸送、不穩(wěn)定能量建立和釋放相結(jié)合(劉勇,2005;許新田等,2006),持續(xù)的高層輻散、低層輻合的環(huán)流配置保證了低層源源不斷的水汽輻合并抬升凝結(jié)(白濤等,2013),不穩(wěn)定能量、強(qiáng)散度柱、特強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)柱耦合發(fā)展是陜南突發(fā)大暴雨產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制(慕建利等,2005)。這些研究不僅在理論上揭示了陜西暴雨形成的條件和原因,而且對(duì)指導(dǎo)陜西大范圍的、系統(tǒng)性的暴雨預(yù)報(bào)產(chǎn)生了積極的作用。但是,對(duì)于小范圍的、突發(fā)性的、短歷時(shí)的強(qiáng)暴雨預(yù)報(bào)的指導(dǎo)能力甚小,尤其是陜西中部地理環(huán)境復(fù)雜,大氣環(huán)流表現(xiàn)為不同的形勢(shì),暴雨特別是極端暴雨形成的機(jī)理極其復(fù)雜,在現(xiàn)有認(rèn)識(shí)和方法的基礎(chǔ)上,暴雨預(yù)報(bào)時(shí)有失敗或不理想的狀況。

2007年8月8日18時(shí)—9日02時(shí)(北京時(shí)間,下同),陜西關(guān)中平原出現(xiàn)了50 a來最大的一場(chǎng)暴雨天氣過程,過程強(qiáng)降雨集中在短短的5 h之內(nèi),降水強(qiáng)度之大為歷史罕見,給社會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,西安、寶雞、咸陽3市發(fā)生嚴(yán)重的山洪等地質(zhì)災(zāi)害和城市內(nèi)澇,致使多條河流洪水暴漲、房屋倒塌、農(nóng)田被淹,交通癱瘓及人員傷亡等災(zāi)難,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5億多,死亡9人。而且本次暴雨天氣過程突發(fā)性強(qiáng),暴雨發(fā)生前沒有明顯的影響系統(tǒng)和偏南風(fēng)急流輸送水汽和不穩(wěn)定能量,暴雨區(qū)位于“中緯度高壓壩控制”之中,給暴雨的預(yù)報(bào)帶來極大的困難,加之對(duì)該類暴雨研究極少,預(yù)報(bào)員很難找到暴雨預(yù)報(bào)的著眼點(diǎn),從而使暴雨的預(yù)報(bào)出現(xiàn)了較大的誤差?？茖W(xué)認(rèn)識(shí)暴雨尤其是預(yù)報(bào)失敗或預(yù)報(bào)誤差較大的暴雨的環(huán)流特征及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律是提高預(yù)報(bào)能力的必經(jīng)之路。所以,本文分析研究了該次極端暴雨過程。

1 資料與方法

綜合利用T213 0.5625°×0.5625°再分析資料和近年來高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料包括陜西240個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站和區(qū)域加密觀測(cè)站逐時(shí)降水資料、甘肅自動(dòng)觀測(cè)站等全國(guó)逐時(shí)降水資料、FY-2C衛(wèi)星等資料,通過天氣學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等診斷計(jì)算和分析,對(duì)2007年8月8—9日發(fā)生在陜西中部一次大暴雨過程進(jìn)行細(xì)致的分析,加深對(duì)“中緯度高壓壩控制”型的大暴雨形成的環(huán)境背景和物理?xiàng)l件、中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變特征的認(rèn)識(shí),揭示該類暴雨發(fā)生發(fā)展規(guī)律和可能的成因,為該類特大暴雨的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供思路和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn),從而提高暴雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和防災(zāi)減災(zāi)等服務(wù)能力。

2 特大暴雨過程雨情分析

2007年8月8—9日,陜西關(guān)中出現(xiàn)了一次特大暴雨天氣過程。分析陜西240個(gè)氣象觀測(cè)站降水量和我國(guó)其他區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)的逐小時(shí)降水資料顯示,陜西降雨從8日18時(shí)開始,9日02時(shí)結(jié)束,強(qiáng)降雨集中在8日20時(shí)—9日01時(shí)5 h內(nèi),陜西范圍內(nèi)日降水量在暴雨(50 mm)以上的有47站、大暴雨(100 mm)以上的多達(dá)12站,其中突破有記錄以來的歷史極值的有8個(gè)氣象觀測(cè)站,且雨強(qiáng)大,如禮泉日降雨量達(dá)209.8 mm,小時(shí)雨量(95 mm)超過該站日雨量的歷史極值(86.1 mm)。暴雨過程以1 h降雨量大于等于10、20、50 mm的降雨站數(shù)來表示強(qiáng)降雨范圍(圖1b),1 h最大降雨量(圖1c)表示降雨強(qiáng)度變化,暴雨過程強(qiáng)降雨范圍、強(qiáng)度經(jīng)歷突然增大—有所減小—再次增大至最大—突然減小至消失的過程,而且在陜西中部形成東西向的中尺度強(qiáng)降雨帶,強(qiáng)降雨帶上從西向東先后出現(xiàn)了3個(gè)大暴雨中心,其中心日最大降水量分別為187 mm、151 mm和118 mm(圖1a),對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度分別達(dá)79 mm/h、95 mm/h、92 mm/h,強(qiáng)降雨在每個(gè)大暴雨中心只維持1～2 h(圖1d)。

圖1 2007年8月8日18時(shí)—9日02時(shí)降雨量 a.總降雨量(單位:mm);b.逐時(shí)降雨站數(shù);c.逐時(shí)最大降雨量(單位:mm);d.關(guān)中3個(gè)暴雨中心逐時(shí)降雨量(單位:mm)Fig.1 Precipitaion during 18:00 BST 8 August to 02:00 BST 9 August 2007 a.total precipitation(units:mm);b.station numbers of hourly precipitation;c.hourly maximum precipitation(units:mm);d.hourly precipitation at the three rainstorm centers respectively(units:mm)

圖2 2007年8月8日14時(shí)(a)和20時(shí)(b)250 hPa的位勢(shì)高度(實(shí)線;單位:dagpm)、急流帶(陰影;單位:m/s)以及風(fēng)矢量(箭頭;單位:m/s)的分布Fig.2 Geopotential heights(solid line;units:dagpm),jet belts(shaded areas;units:m/s) and wind vector(arrow) at 250 hPa at (a)14:00 BST and (b)20:00 BST 8 August 2007,respectively

圖3 2007年8月8日14時(shí)(a)和20時(shí)(b)的500 hPa高度場(chǎng)分布(單位:dagpm)Fig.3 Geopotential heights at 500 hPa at (a)14:00 BST and (b)20:00 BST 8 August 2007(units:dagpm)

總之,本次暴雨過程,8 h出現(xiàn)了大于150 mm的降雨,超過了12 h降雨量大于等于140 mm的特大暴雨的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),屬于特大暴雨過程。由于特大暴雨過程具有發(fā)展迅速、降雨強(qiáng)度大、移速快、歷時(shí)短的特點(diǎn),造成了寶雞、咸陽、西安等地發(fā)生嚴(yán)重的山洪等災(zāi)害,給當(dāng)?shù)厝嗣駧砹司薮蟮纳拓?cái)產(chǎn)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),這場(chǎng)特大暴雨僅在關(guān)中地區(qū)造成9人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失5億元以上。

3 特大暴雨的環(huán)流形勢(shì)特征和物理?xiàng)l件

3.1 環(huán)流形勢(shì)特征

分析顯示,本次“中緯度高壓帶控制型”關(guān)中特大暴雨發(fā)生在高中低空有利的環(huán)境背景下,是高緯度西風(fēng)帶長(zhǎng)波槽、中緯度高壓壩斷裂、低緯度熱帶低壓系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。250 hPa上,暴雨發(fā)生前(圖2a),南亞高壓東北部向東北發(fā)展,高空西風(fēng)急流加強(qiáng)并從西北—東南向轉(zhuǎn)為近似東西向;暴雨發(fā)生時(shí)(圖2b),南亞高壓東北部南縮使其附近的西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng),它與高空急流軸附近的西風(fēng)氣流形成明顯的高空輻散流場(chǎng)。500 hPa上,暴雨發(fā)生前(圖3a),歐亞高緯度地區(qū)為一脊一槽型,雅庫茨克至鄂霍次克海為高脊區(qū),雅庫茨克以西直至烏拉爾山一帶是穩(wěn)定而寬廣的長(zhǎng)波槽區(qū),長(zhǎng)波槽西南部的槽底一直向東南伸至渤海北側(cè),中緯度地區(qū)西太平洋副熱帶高壓(副高)和青藏高原高壓和組成中緯度高壓帶(壩),低緯度地區(qū)為2個(gè)熱帶低壓;暴雨發(fā)生時(shí)(圖3b),低緯度地區(qū)2個(gè)熱帶低壓合并為熱帶輻合帶,高原高壓減弱,高壓壩斷裂,副高和青藏高原高壓之間形成東北—西南向的弱切變線,東南氣流沿副高東南側(cè)向西北流至四川后,在副高西側(cè)折向北進(jìn)入陜西南部,又沿副高西北側(cè)向東北上與沿長(zhǎng)波槽底部下滑的冷空氣相遇,在關(guān)中中西部形成輻合,產(chǎn)生強(qiáng)降雨;當(dāng)青藏高原高壓發(fā)展加強(qiáng)與副高合并再次形成東西向高壓壩時(shí)(圖略),阻擋了東南側(cè)的東風(fēng)氣流轉(zhuǎn)向北上,強(qiáng)降雨結(jié)束。700 hPa上,暴雨發(fā)生時(shí)(圖4b),河套小高壓底部東風(fēng)氣流與高原南部低壓東側(cè)和副高之間的南風(fēng)氣流在秦嶺山區(qū)交匯形成東西向切變線,該切變線為本次強(qiáng)暴雨的主要影響系統(tǒng)。追蹤分析影響該次關(guān)中特大暴雨過程的切變線,暴雨發(fā)生前期(圖略),高緯度的冷空氣不斷東南下,迫使位于高原上的低壓向東南移動(dòng),位于15°N的熱帶輻合帶逐漸北抬,其東部太平洋有熱帶低壓西北上,副高隨之北上西進(jìn),熱帶輻合帶北緣和副高南側(cè)的東風(fēng)氣流在四川東部和重慶折向沿高原低壓東側(cè)北上,與陜北至寧夏的小高壓底部的東風(fēng)氣流在六盤山西側(cè)靖遠(yuǎn)、蘭州北側(cè)附近相遇形成東西向切變線,8日14時(shí)(圖4a),高原低值系統(tǒng)東南移,熱帶輻合帶北側(cè)東風(fēng)氣流轉(zhuǎn)向北的氣流發(fā)展加強(qiáng)(從2 m/s增加到4～6 m/s)并向西北流去,在靖寧、隴西縣的低洼地區(qū)形成東北—西南向切變線,并產(chǎn)生對(duì)流性降雨,8日20時(shí)(圖4b),陜北小高壓西部南壓并向東移動(dòng),形成東西向的高壓環(huán)流,陜北小高壓底部的東風(fēng)氣流與高原南部低壓東側(cè)和副高之間的南風(fēng)氣流在秦嶺山區(qū)形成東西向切變線(南風(fēng)位于秦嶺南側(cè),東風(fēng)氣流位于秦嶺北側(cè)的關(guān)中平原),東路弱冷空氣與東南暖濕氣流在關(guān)中中西部交匯形成輻合,使大氣不穩(wěn)定加強(qiáng),并觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流降雨發(fā)生。相應(yīng)地面圖上(圖略),在高原東部形成的冷鋒使西北冷空氣在近地層與暖空氣交綏,形成強(qiáng)烈的能量鋒區(qū)和位勢(shì)不穩(wěn)定,強(qiáng)對(duì)流降雨發(fā)生在冷鋒中部前沿的冷暖空氣交匯且能量鋒區(qū)最強(qiáng)烈的區(qū)域。這不同于華北平原的中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)發(fā)生在移動(dòng)性冷鋒前的暖區(qū)中和南方的MCC常發(fā)生在靜止鋒的西端(慕建利等,2012)。

圖4 2007年8月8日14時(shí)(a)和20時(shí)(b)的700 hPa高度場(chǎng)分布(細(xì)實(shí)線為高度場(chǎng),單位:dagpm;粗實(shí)線為切變線)Fig.4 Geopotential heights(thin solid line;units:dagpm) and wind field at 700 hPa at (a)14:00 BST and (b)20:00 BST 8 August 2007,respectively(the thick solid line denotes the shear line)

圖5 a.暴雨區(qū)(107.2～109.4°E,34.1～34.7°N)平均渦度(黑線;單位:10-5 s-1)、平均散度(紅線;單位:10-5 s-1)和平均垂直速度(陰影;單位:Pa/s)的高度—時(shí)間剖面;b.8日18時(shí)—9日02時(shí)的降雨量(陰影;單位:mm),8日20時(shí)和9日02時(shí)的平均300 hPa輻散(黑線;單位:10-5 s-1),850 hPa輻合(紅線;單位:10-5 s-1),700 hPa正渦度(綠線;單位:10-5 s-1),以及600 hPa垂直速度(藍(lán)線,單位:Pa/s)Fig.5 a.Height-time cross section of the heveay rainfall region(34.1—34.7°N,107.2—109.4°E) averaged vorticity(black line;units:10-5 s-1),divergence(red line;units:10-5 s-1) and vertical velocity(shaded areas;units:Pa/s);b.Precipitaion during18:00 BST 8 August and 02:00 BST 9 August 2007(shaded areas;units:mm),averaged physical quantities during 20:00 BST 8 August and 02:00 BST 9 August 2007(divergence at 300 hPa(black line,units:10-5 s-1);convergence at 850 hPa(red line,units:10-5 s-1);positive vorticity at 700 hPa(green line,units:10-5 s-1);vertical velocity at 600 hPa(blue line,units:Pa/s))

3.2 物理環(huán)境條件

圖5a給出了關(guān)中特大暴雨發(fā)生前后暴雨區(qū)平均渦度、散度和垂直速度的垂直演變特征。8日08時(shí),300 hPa以上高層已經(jīng)存在-3×10-5s-1的負(fù)渦度,8日14時(shí)發(fā)展達(dá)最大,中心強(qiáng)度為-8×10-5s-1,位于150 hPa,隨后負(fù)渦度開始減小,8日15時(shí),正渦度從對(duì)流層低層850 hPa開始發(fā)展,并向高低層伸展,8日17時(shí),2×10-5s-1的正渦度等值線向上伸展至700 hPa、向下約達(dá)900 hPa,8日19時(shí),2×10-5s-1的正渦度等值線向下發(fā)展到達(dá)地面,向上伸至500 hPa,形成地面到500 hPa的正渦度柱,9日01時(shí),近地層正渦度快速減小,900 hPa以下已經(jīng)轉(zhuǎn)為負(fù)渦度,但中高層仍維持較大的正渦度。對(duì)應(yīng)散度的垂直結(jié)構(gòu),8日13—15時(shí),暴雨區(qū)從低層至高層呈弱輻合—輻散的“雙重結(jié)構(gòu)”(張弘等,2003),8日16時(shí),600 hPa附近為無輻散層,其上下為輻散輻合,強(qiáng)度為2×10-5s-1,隨后高空輻散快速加強(qiáng),-2×10-5s-1的低空輻合線加快向高空伸展,8日20時(shí),高空輻散達(dá)最大,中心強(qiáng)度增至5×10-5s-1,形成高層輻散明顯大于低層輻合的散度柱,對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水突然增強(qiáng),然后高空輻散中心繼續(xù)下滑并有所減弱,中低空輻合增加,對(duì)應(yīng)降水量有所減小,8日23時(shí),高空輻散中心下降至400 hPa,強(qiáng)度重新增加至4×10-5s-1,低層850 hPa輻合加強(qiáng)到-4×10-5s-1,對(duì)應(yīng)23時(shí)、24時(shí)降水達(dá)最強(qiáng),9日01時(shí),高空輻散再次達(dá)到最大值(5×10-5s-1)、低空輻合此時(shí)也達(dá)到最大值(-5×10-5s-1),9日02時(shí),-2×10-5s-1輻合線快速下降,強(qiáng)降水結(jié)束。相應(yīng)的垂直速度變化特征,8日13時(shí),垂直上升速度從600 hPa開始發(fā)展,然后快速向高低層發(fā)展,8日15時(shí)發(fā)展為整層的垂直上升運(yùn)動(dòng),8日20時(shí),1.0 Pa/s的垂直上升運(yùn)動(dòng)伸展至400 hPa,對(duì)應(yīng)降水強(qiáng)度突然猛增,降水量從8日19時(shí)29 mm增大至8日20時(shí)77 mm,此后垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度緩慢增加,中心位置下降,8日23時(shí)—9日02時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度達(dá)到最大(1.2 Pa/s),期間降水強(qiáng)度也在增加,降水峰值出現(xiàn)在8日23時(shí)(95 mm/h),但增加幅度相對(duì)減小,9日02時(shí),垂直上升速度開始減小,但在其后數(shù)小時(shí)內(nèi)仍維持較大的上升運(yùn)動(dòng);而邊界層垂直上升運(yùn)動(dòng)在9日01時(shí)減小至0.2 Pa/s,對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水結(jié)束。

何華和孫績(jī)?nèi)A(2004)應(yīng)用p坐標(biāo)下連續(xù)方程探討了高層散度與垂直速度的關(guān)系,說明對(duì)流層高層的“抽吸作用”形成過程。本次關(guān)中特大暴雨是在散度、渦度和垂直運(yùn)動(dòng)相互耦合發(fā)展的有利條件下發(fā)生的。強(qiáng)降水發(fā)生前,首先300 hPa以上出現(xiàn)明顯的負(fù)渦度發(fā)展加強(qiáng),高空氣流發(fā)散(輻散),產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng),起到高層“抽氣”作用,使300 hPa以下的空氣向上補(bǔ)充,低層氣壓降低,形成低層輻合,隨著高空反氣旋渦度的進(jìn)一步增強(qiáng),高空輻散的增幅大于中低層輻合的增幅,造成對(duì)流層高層強(qiáng)烈的“抽吸作用”,使垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展加強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展抬升,使低層輻合增厚,中低層氣旋性渦度加強(qiáng)并向高層伸展,它們相互作用下繼續(xù)發(fā)展;暴雨開始時(shí),高層輻散達(dá)到最大(5×10-5s-1),500 hPa以下形成了正渦度柱和輻合柱,從而使降雨增幅猛烈加強(qiáng),降雨強(qiáng)度達(dá)77 mm/h,但此時(shí)高空輻散明顯強(qiáng)于低空輻合,使“抽吸作用”繼續(xù),由此垂直上升運(yùn)動(dòng)繼續(xù)加強(qiáng),中低層渦度、散度也隨之加強(qiáng),降雨也繼續(xù)增大,到暴雨強(qiáng)盛期,高空輻散、低空輻合和低空正渦度同時(shí)達(dá)最大,但高、低空輻散、輻合勢(shì)力相當(dāng),“抽吸作用”減退,垂直上升運(yùn)動(dòng)快速減弱,同時(shí),邊界層出現(xiàn)了負(fù)渦度,從而使強(qiáng)降雨結(jié)束。圖5b是8日18時(shí)—9日02時(shí)暴雨過程總降雨量和8日20時(shí)與9日02時(shí)的平均300 hPa輻散、700 hPa正渦度、850 hPa輻合、600 hPa垂直上升速度最大中心所在層次的水平分布,可見,各物理量大中心區(qū)域并非重合,強(qiáng)降雨不是發(fā)生在某一物理量的中心區(qū)域,而是發(fā)生在各物理量大值中心間的交界處,進(jìn)一步說明強(qiáng)降雨是在不同物理量有利配置下發(fā)生的,各種物理量的相互耦合發(fā)展為大暴雨的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力環(huán)境條件。

在這樣一種大氣動(dòng)力環(huán)境條件下,暴雨區(qū)水汽條件是如何形成的?分析水汽條件發(fā)現(xiàn),本次暴雨過程水汽比較淺薄(78%的水汽含量集中在700 hPa以下),暴雨發(fā)生前濕度沒有增加反而減小,不利暴雨的發(fā)生,但暴雨即將來臨時(shí),低層西南風(fēng)突然轉(zhuǎn)為東風(fēng),將河南附近的水汽快速向西輸送至暴雨區(qū),使暴雨區(qū)濕度突然猛增,形成了暴雨所需的高濕和很強(qiáng)的水汽輻合條件。

圖6 850 hPa比濕(單位:g/kg)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽) a.8日08時(shí);b.8日14時(shí);c.8日20時(shí);d.9日02時(shí)Fig.6 Specific humidity(solid lines;units:g/kg) and wind fields(bar) at 850 hPa a.08:00 BST 8 August 2007;b.14:00 BST 8 August 2007;c.20:00 BST 8 August 2007;d.02:00 BST 9 August 2007

圖6給出了暴雨發(fā)生前后850 hPa比濕場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的變化。關(guān)中暴雨區(qū)周圍具有高濕區(qū)和低濕區(qū)(干區(qū))的不均勻分布特征,暴雨區(qū)及其西南部的四川為一高濕區(qū),沿副高西北側(cè)也為一條相對(duì)高濕帶,高濕帶上有3個(gè)16～18 g/kg的相對(duì)高濕中心,暴雨區(qū)周圍其他地方濕度相對(duì)較低,尤其是黃河拐彎處附近有一個(gè)中心為13 g/kg的低濕區(qū)。暴雨區(qū)濕度經(jīng)歷了先減小、然后突然增大、又減小的過程,這一變化特征與河套小高壓、副高和熱帶輻合帶的發(fā)展演變密切相關(guān)。8日08時(shí)(圖6a),四川到陜南西部、關(guān)中西部為東北北—西南南向的高濕帶,其中有2個(gè)大值中心,1個(gè)位于秦嶺山區(qū),中心值為21 g/kg,1個(gè)位于四川東部,其中心值為23 g/kg;關(guān)中暴雨區(qū)東部河南有一個(gè)中心為18 g/kg的相對(duì)高濕區(qū);值得注意的是,黃河拐彎處的關(guān)中東部、陜北東南部和山西南部有1個(gè)弱反氣旋環(huán)流,反氣旋中心比濕為13 g/kg,說明該區(qū)域空氣比較干燥;我國(guó)東部長(zhǎng)江中游濕度較低。8日14時(shí)(6b),陜北南部反氣旋環(huán)流向西南移動(dòng),其后部轉(zhuǎn)為一致的東風(fēng)氣流,將反氣旋中心附近的干空氣向西輸送,使關(guān)中中西部濕度減小,秦嶺山區(qū)的濕中心消失,熱帶輻合帶北側(cè)東風(fēng)向西、向北擴(kuò)展加強(qiáng);8日20時(shí)(圖6c),熱帶輻合帶北側(cè)東風(fēng)進(jìn)一步北上西行,使四川高濕區(qū)前沿濕度向北輸送,陜北冷干空氣北退,副高西側(cè)的偏南風(fēng)突然轉(zhuǎn)為東風(fēng),與陜北南部高壓底部的東風(fēng)氣流疊加,形成8～10 m/s的東風(fēng)急流,將河南高濕區(qū)的水汽向關(guān)中輸送,從而使關(guān)中暴雨區(qū)濕度突然增大,比濕從17 g/kg增加到20 g/kg。9日02(圖6d)時(shí),河套反氣旋發(fā)展,北部冷干空氣整體南下,關(guān)中地區(qū)濕度減小,暴雨結(jié)束。進(jìn)一步分析水汽通量、水汽通量散度和水汽通量流場(chǎng)演變發(fā)現(xiàn)(圖略),關(guān)中暴雨區(qū)低層水汽源于東海,東海水汽經(jīng)由副高南側(cè)和熱帶輻合帶北側(cè)的東風(fēng)氣流向西輸送,經(jīng)過湖北時(shí)分為兩股,一股繼續(xù)西行將水汽輸送至四川,使四川一直維持高濕區(qū);另一股沿副高西側(cè)偏南風(fēng)氣流向西北輸送(暴雨發(fā)生前)或北上至河南時(shí)突然轉(zhuǎn)向西連同河南至湖北北部高濕區(qū)的水汽一起輸送至關(guān)中暴雨區(qū),使關(guān)中暴雨區(qū)的水汽通量突然猛增,為強(qiáng)暴雨的發(fā)生提供了充沛的水汽條件。可見,暴雨區(qū)東部河南高濕區(qū)水汽主要來源于東海,而偏南風(fēng)突然轉(zhuǎn)向東風(fēng)與陜北小高壓底部東風(fēng)合并加強(qiáng)為東風(fēng)急流將河南高濕區(qū)水汽輸送至關(guān)中暴雨區(qū)是形成暴雨水汽條件的主要原因。

分析1 000～600 hPa暴雨區(qū)東南西北邊界的水汽通量可知,水汽從暴雨區(qū)東部輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從西部流出是其水汽輻合的主要原因,暴雨區(qū)北、東2個(gè)邊界水汽突然增大和減小對(duì)暴雨的生消具有指示意義(慕建利等,2012)。位勢(shì)不穩(wěn)定能量場(chǎng)(圖略)的變化與濕度場(chǎng)相似,在近地層,臨近暴雨發(fā)生時(shí)位勢(shì)不穩(wěn)定能量突然聚集,在關(guān)中形成一高能中心,并在關(guān)中形成東西向高能帶,它與西北部的低能區(qū)之間形成東北—西南向能量鋒區(qū),暴雨發(fā)生在關(guān)中高能中心西南側(cè)和能量鋒區(qū)偏南的暖空氣一側(cè),而且暴雨的發(fā)生、發(fā)展和減弱、消亡與850 hPa以下層能量的積累和釋放密切關(guān)聯(lián),當(dāng)850 hPa以下層能量積累時(shí),伴隨暴雨的發(fā)生發(fā)展,能量的釋放減小階段則是暴雨達(dá)到成熟期并開始減弱和消亡時(shí)期。

圖7 暴雨區(qū)(107.2～109.4°E)平均垂直速度(等值線;單位:Pa/s)和垂直環(huán)流(箭頭)的經(jīng)向剖面 a.8日08時(shí);b.8日14時(shí);c.8日20時(shí);d.9日02時(shí)Fig.7 Vertical cross sections of 107.2—109.4°E averaged vertical velocity(contour line;units:Pa/s) and vertical circulation(arrow) a.08:00 BST 8 August 2007;b.14:00 BST 8 August 2007;c.20:00 BST 8 August 2007;d.02:00 BST 9 August 2007

4 次級(jí)環(huán)流與暴雨的關(guān)系

分析暴雨區(qū)平均垂直速度顯示,暴雨發(fā)生前10 h(圖7a),關(guān)中暴雨區(qū)及其周圍處于整層的下沉氣流中,暴雨發(fā)生前3 h(圖7b),暴雨區(qū)南部至陜南轉(zhuǎn)為上升氣流,8日20時(shí)(圖7c),34～36°N為整層直立的垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū),中心強(qiáng)度達(dá)-1.4 Pa/s,位于700～500 hPa;強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)北緣在600 hPa分為兩支氣流,一支向北至37°N轉(zhuǎn)為下沉氣流,中心強(qiáng)度位于850～600 hPa,強(qiáng)度為0.2 Pa/s,一支繼續(xù)向高層上升至300 hPa以上轉(zhuǎn)向南流出,強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的南部氣流上升至300 hPa以上也轉(zhuǎn)向南流出,在30～34°N、600～300 hPa間下沉后再向北流入暴雨區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)中形成間接環(huán)流圈,下沉運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度為0.6 Pa/s,從而在關(guān)中暴雨區(qū)垂直上升區(qū)南北兩側(cè)的中高層和中低層形成下沉運(yùn)動(dòng),這樣就形成了在關(guān)中平原上升,其南北兩側(cè)為下沉氣流的雙圈垂直次級(jí)環(huán)流,這種雙圈垂直次級(jí)環(huán)流的上升支與暴雨區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)耦合,使上升氣流加強(qiáng),是造成強(qiáng)降水的物理機(jī)制,這種機(jī)制的形成和維持與高低空急流的耦合是緊密相關(guān)的(矯梅燕等,2006)。另外,上升運(yùn)動(dòng)速度分別是其南北兩側(cè)下沉運(yùn)動(dòng)速度的4倍和7倍,形成了垂直上升運(yùn)動(dòng)特強(qiáng)、下沉運(yùn)動(dòng)弱的不對(duì)稱結(jié)構(gòu),在這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)下,從暖濕輸送帶進(jìn)人系統(tǒng)的水滴必然是邊繞環(huán)流旋轉(zhuǎn)邊作浮沉運(yùn)動(dòng),使水滴有可能長(zhǎng)時(shí)間在暖濕環(huán)境中行走而不是直線上升很快到達(dá)云頂,從而使水滴獲得較多沖拼增長(zhǎng)機(jī)會(huì),很快形成暴雨(田生春和劉蘇紅,1988)。9日02時(shí)(7d),垂直上升運(yùn)動(dòng)有所減弱,其南部中高層下沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng),使垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)變寬,而且無法形成垂直次級(jí)環(huán)流,對(duì)應(yīng)此時(shí)強(qiáng)降雨結(jié)束。

可見,強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)及其南北兩側(cè)弱下沉運(yùn)動(dòng)形成的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)、以及它們形成的雙圈垂直次級(jí)環(huán)流可能是本次暴雨形成的物理機(jī)制。

5 關(guān)中強(qiáng)暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)(mesoscale convective system,MCS)演變特征及其與強(qiáng)降水的關(guān)系

5.1 中尺度雨團(tuán)活動(dòng)特征

根據(jù)降水覆蓋范圍大小、連續(xù)降水時(shí)間長(zhǎng)短、雨強(qiáng)大小將本次降水形成的雨團(tuán)分為強(qiáng)雨團(tuán)、特強(qiáng)雨團(tuán)(慕建利等,2012),分析暴雨過程雨團(tuán)變化顯示,本次關(guān)中強(qiáng)暴雨過程的形成是2個(gè)小雨團(tuán)發(fā)生、東移和合并的過程,它們從生成、東移合并、發(fā)展加強(qiáng)為水平尺度達(dá)100 km×40 km的特強(qiáng)雨團(tuán),歷經(jīng)8 h。進(jìn)一步分析顯示,雨團(tuán)生命期分為3個(gè)階段:發(fā)展加強(qiáng)期穩(wěn)定少動(dòng),成熟期緩慢東南移,遇秦嶺阻擋停滯減弱消亡。圖8清楚地顯示了雨團(tuán)發(fā)展的3個(gè)階段,8日18時(shí),2個(gè)小雨團(tuán)在寶雞隴縣和太白山區(qū)生成,分別緩慢向東南和東北方向移動(dòng),并在1 h后增強(qiáng)為強(qiáng)度為30 mm/h、29 mm/h的強(qiáng)雨團(tuán),8日20時(shí)雨團(tuán)合并繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng),形成一個(gè)中β尺度的特強(qiáng)雨團(tuán),其水平尺度約為100 km×40 km,雨強(qiáng)超過40 mm的有7站、最大雨強(qiáng)達(dá)77 mm/h,中心位于岐山棗林鄉(xiāng),并在岐山維持2 h;8日22時(shí)降水強(qiáng)度略有減小(強(qiáng)度為58 mm/h)并向東移動(dòng),然后雨團(tuán)再次發(fā)展東移至禮泉,8日23時(shí)特強(qiáng)雨團(tuán)達(dá)到最強(qiáng)時(shí)刻,中心降水強(qiáng)度高達(dá)95 mm/h,降水量大于50 mm/h有7站;9日00時(shí)繼續(xù)強(qiáng)勢(shì)東南移至高陵,1小時(shí)降水量達(dá)到50 mm的有5站,中心最大達(dá)92 mm;9日01時(shí),受秦嶺東坡阻擋,強(qiáng)降水減弱,02時(shí)后降水結(jié)束。

圖8 2007年8月8日18時(shí)—9日02時(shí)逐時(shí)降水量(陰影,單位:mm)Fig.8 Hourly precipitation(shaded areas;units:mm) from 18:00 BST 8 August to 02:00 BST 9 August 2007

5.2 MCS演變特征及其與強(qiáng)降水、地形的關(guān)系

上述中尺度雨團(tuán)分析表明,本次關(guān)中強(qiáng)暴雨是一個(gè)中尺度雨團(tuán)沿關(guān)中喇叭口地形從西向東發(fā)展造成的。下面對(duì)暴雨中的中尺度雨團(tuán)對(duì)應(yīng)的對(duì)流系統(tǒng)及其他們與關(guān)中喇叭口地形的關(guān)系進(jìn)行分析。

圖9給出了造成暴雨的MαCS發(fā)生發(fā)展期間逐時(shí)相當(dāng)黑體溫度(black body temperature,TBB)及其后1 h降水量與地形的關(guān)系。圖9中清楚地展示了MαCS發(fā)生、發(fā)展加強(qiáng)、減弱消亡的全過程及其與強(qiáng)降水雨團(tuán)的關(guān)系以及關(guān)中特殊地理環(huán)境對(duì)它們的影響。8日19時(shí)(圖9a),幾個(gè)對(duì)流云團(tuán)在向東開口的喇叭口地帶的關(guān)中西部發(fā)展并相互靠近,云頂亮溫最低為-58 ℃,1 h后2個(gè)局地強(qiáng)降水雨團(tuán)合并后強(qiáng)烈發(fā)展,形成了長(zhǎng)約60 km的特強(qiáng)雨團(tuán),強(qiáng)降水中心強(qiáng)度由30 mm/h增長(zhǎng)到77 mm/h;8日20時(shí)(圖9b),云頂最低溫度猛烈下降,云團(tuán)內(nèi)部強(qiáng)對(duì)流體合并形成160 km×120 km(指TBB小于等于-52 ℃)西北—東南向的橢圓形MβCS,中心強(qiáng)度達(dá)-72 ℃,強(qiáng)降水略有增強(qiáng),中心強(qiáng)度為79 mm/h,特強(qiáng)雨團(tuán)發(fā)生在云頂亮溫低值中心西北側(cè)溫度梯度最大的地方,然后中尺度對(duì)流云團(tuán)沿喇叭口地形向東移動(dòng);8日22時(shí)(圖9d),中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展達(dá)最強(qiáng)時(shí)期,形成一個(gè)達(dá)到MCC標(biāo)準(zhǔn)的MαCS,此時(shí)降水達(dá)到鼎盛時(shí)期,特強(qiáng)雨團(tuán)中心降水量達(dá)95 mm/h,雨團(tuán)幾乎和TBB低值中心重合;8日23時(shí)(圖9e),云團(tuán)范圍繼續(xù)擴(kuò)大,強(qiáng)降水維持,1 h后特強(qiáng)雨團(tuán)位于強(qiáng)云團(tuán)中心略偏前東南的地方;9日00時(shí)(圖9f),云團(tuán)面積達(dá)最大,云體中心東移,-72 ℃ TBB等值線北部繼續(xù)維持,南部移至秦嶺東部由于受秦嶺山東部東北—西南向山脈的阻擋減弱消失,-72 ℃ TBB等值線明顯縮小,降水開始減弱,雨團(tuán)最大降水量減少到63 mm/h,位于云團(tuán)強(qiáng)中心前部;然后MαCS強(qiáng)度快速減弱,9日02時(shí)(圖9h),-67～-72 ℃的等值線分裂為2個(gè)小中心,并且均位于秦嶺南坡山區(qū),說明影響關(guān)中強(qiáng)降水的MαCS已移出關(guān)中地區(qū),關(guān)中強(qiáng)降水結(jié)束。

圖9 2007年8月8日19時(shí)—9日02時(shí)MCS的逐時(shí)(a—h)TBB(實(shí)線,單位:℃)和其后1 h降水量(虛線;單位:mm)與地形(陰影;單位:m)的關(guān)系Fig.9 (a—h)MCS hourly TBB distributions(solid line;units:℃) and subsequent precipitation fields(dashed line;units:mm) one hour later from 19:00 BST 8 August to 02:00 BST 9 August 2007 and the relationship between it and the topographty(shaded areas;units:m)

5.3 地面中尺度擾動(dòng)特征及其與強(qiáng)降水的關(guān)系

由5.1、5.2節(jié)可見,暴雨過程強(qiáng)降雨范圍、強(qiáng)度經(jīng)歷突然增大—有所減小—再次增大至最大—突然減小至消失的過程,而影響強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)則表現(xiàn)出發(fā)生、發(fā)展加強(qiáng)、減弱消亡的一個(gè)過程,說明強(qiáng)降雨的發(fā)生發(fā)展與中尺度對(duì)云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展并非完全一致,即不是所有中尺度云團(tuán)范圍內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)降雨,而且強(qiáng)度相同的對(duì)流云團(tuán),其內(nèi)部降水大小也不相等。為了了解中尺度對(duì)流系統(tǒng)冷云蓋下強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展與強(qiáng)降水的關(guān)系,對(duì)地面加密風(fēng)場(chǎng)及其后1 h降水量進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比分析。

圖10 2007年8月8日18時(shí)—9日01逐時(shí)(a—h)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)及其后1 h降水量(陰影;單位:mm;D為中尺度渦旋;實(shí)線為中尺度切變線)Fig.10 (a—h)Hourly surface wind fields(barb) and subsequent precipitation fields(shaded areas;units:mm) one hour later from 18:00 BST 8 August to 01:00 BST 9 August 2007(D denotes the mesoscale vortex and solid line denotes the shear line)

從地面加密風(fēng)場(chǎng)及其后1 h降水量疊加(圖10)可見,8日18時(shí)(圖10a)隴縣北風(fēng)和寶雞東南風(fēng)形成弱切變,在弱切變的偏北風(fēng)一側(cè)出現(xiàn)了30 mm的局地強(qiáng)降水,眉縣附近的弱北風(fēng)和弱南風(fēng)形成的南北切變線,使眉縣西南側(cè)出現(xiàn)了29 mm的降水;8日19時(shí)(圖10b),南風(fēng)北抬加強(qiáng),眉縣轉(zhuǎn)為6 m/s的南風(fēng),隴縣西北風(fēng)向東南擴(kuò)展加大,千陽一帶轉(zhuǎn)為6～8 m/s的西北風(fēng),而且鳳翔由北風(fēng)轉(zhuǎn)為6 m/s的西南風(fēng),岐山的東、北側(cè)為東風(fēng)、東南風(fēng)和東北風(fēng),即在岐山和鳳翔附近為西北風(fēng)、西風(fēng)、西南風(fēng)、南風(fēng)、東南風(fēng)、東北風(fēng)對(duì)吹,形成了的不同風(fēng)向的中尺度輻合系統(tǒng)D,輻合加強(qiáng),降水強(qiáng)度猛增,范圍擴(kuò)大,1 h后在輻合系統(tǒng)內(nèi)有范圍較大的強(qiáng)降水,岐山棗林和鳳翔東北側(cè)分別出現(xiàn)了77 mm和68 mm的特強(qiáng)降水中心,強(qiáng)降水中心呈西北、東南向;8日20時(shí),鳳翔西北側(cè)的西北風(fēng)向東發(fā)展,使北側(cè)強(qiáng)降水中心東移至麟游,降水強(qiáng)度略減,為51 mm,南側(cè)強(qiáng)降水穩(wěn)定維持,中心岐山棗林的強(qiáng)降水為78 mm,強(qiáng)降水中心轉(zhuǎn)為近南北向;8日21時(shí),中尺度輻合系統(tǒng)D向東北移至乾縣附近,但其西部的西北風(fēng)和南側(cè)的南風(fēng)減小,輻合有所減弱,降水也相對(duì)減弱,乾縣降水量為58 mm,但仍為強(qiáng)勢(shì)降水;8日22時(shí),中尺度輻合系統(tǒng)D又轉(zhuǎn)向東南移動(dòng),中心位于禮泉,此時(shí),不同方向的風(fēng)速均有增大,西南風(fēng)、東風(fēng)、東北風(fēng)增大到6 m/s,使輻合再次增強(qiáng),強(qiáng)降水隨之再次發(fā)展加強(qiáng),范圍也達(dá)最大,強(qiáng)降水中心禮泉出現(xiàn)了92 mm的特強(qiáng)降水;8日23時(shí)(圖10f),中尺度輻合系統(tǒng)D快速強(qiáng)勢(shì)東行(50 km/h),中心移至高陵,降水為95 mm;9日00時(shí)(圖10g),西北風(fēng)東南下,輻合系統(tǒng)減弱為南北向切變線,降水減小,中心分裂為2個(gè),降水量分別為63 mm(臨潼)和40 mm(藍(lán)田);9日01時(shí)(圖10h),進(jìn)一步減弱零散的風(fēng)向輻合,對(duì)應(yīng)1 h后降水也大大減小,9日03時(shí)(圖略)該中尺度輻合系統(tǒng)D產(chǎn)生的中尺度大雨團(tuán)降水結(jié)束。

總之,本次關(guān)中強(qiáng)暴雨過程是由1個(gè)中尺度雨團(tuán)產(chǎn)生的,中尺度雨團(tuán)的發(fā)生發(fā)展又是由1個(gè)MαCS的發(fā)生發(fā)展造成的,MαCS的形成是2個(gè)MβCS發(fā)展合并的結(jié)果,而這些系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展于秦嶺山脈北側(cè)的向東開口的喇叭口地帶,在黃土高原和秦嶺之間合并東移和發(fā)展加強(qiáng),移至秦嶺山脈東部后,由于山脈折向西南—東北走向,阻擋了它們的前進(jìn),迫使其翻越山脈,從而使MαCS和強(qiáng)雨團(tuán)突然減弱和消亡。強(qiáng)(特強(qiáng))雨團(tuán)只發(fā)生在中尺度對(duì)流云團(tuán)內(nèi)部不到1/15的范圍內(nèi),強(qiáng)降水發(fā)生在云團(tuán)內(nèi)云頂亮溫低值中心偏向溫度梯度大地方,并在MCS不同發(fā)展階段發(fā)生的位置也不相同,而且云團(tuán)云頂亮溫越低,降水強(qiáng)度越大。MCS開始發(fā)展時(shí),強(qiáng)(特強(qiáng))雨團(tuán)發(fā)生在中尺度對(duì)流云團(tuán)西北部TBB等值線密集區(qū),隨著MCS的發(fā)展加強(qiáng),強(qiáng)雨團(tuán)發(fā)生在中尺度對(duì)流云團(tuán)TBB低值中心附近,當(dāng)MCS發(fā)展成熟后開始減弱時(shí),強(qiáng)雨團(tuán)(特強(qiáng)雨團(tuán))發(fā)生在中尺度對(duì)流云團(tuán)TBB低值中心的前部。強(qiáng)降雨增大或減小與地面輻合系統(tǒng)的增強(qiáng)與減弱密切相關(guān),本次強(qiáng)降雨過程中,由于地面風(fēng)速和風(fēng)向的快速變化,使地面輻合系統(tǒng)隨之經(jīng)歷了增強(qiáng)、減弱、再增強(qiáng)、最后減弱的過程,從而使暴雨過程強(qiáng)降雨范圍、強(qiáng)度經(jīng)歷突然增大—有所減小—再次增大至最大—突然減小至消失的過程。

6 結(jié)論與討論

對(duì)2007年8月8—9日陜西關(guān)中強(qiáng)暴雨過程的環(huán)境場(chǎng)條件及其演變特征進(jìn)行分析,并通過對(duì)其天氣學(xué)特征、動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)的診斷分析,探討暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景和天氣尺度的影響系統(tǒng)以及強(qiáng)暴雨發(fā)生的原因。同時(shí)利用逐時(shí)區(qū)域加密自動(dòng)雨量站資料、地面加密站風(fēng)場(chǎng)資料和FY-2C衛(wèi)星紅外云圖TBB資料等對(duì)暴雨過程進(jìn)行中尺度綜合觀測(cè)分析,揭示了中尺度系統(tǒng)演變特征及其與強(qiáng)降水的關(guān)系。為該類暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警提供思路和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。主要結(jié)論如下。

1)本次暴雨發(fā)生與有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)、不同緯度、不同天氣尺度系統(tǒng)的相互作用密切相關(guān)。高層高緯度急流入口區(qū)右側(cè)輻散使垂直上升運(yùn)動(dòng)和低空輻合加強(qiáng),中層中緯度地區(qū)高壓壩在陜西中部斷裂形成南北向切變線有利于西北冷空氣與東南暖濕氣流在暴雨區(qū)交匯形成輻合,低層?xùn)|西向切變線和地面東北—西南向冷鋒的發(fā)展觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放和強(qiáng)對(duì)流降水生成。

2)高空強(qiáng)輻散、低空輻合,高空負(fù)渦度、中低空正渦度與垂直上升運(yùn)動(dòng)的相互耦合發(fā)展為關(guān)中特大暴雨發(fā)生提供了有利的動(dòng)力環(huán)境條件。強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)及其南北兩側(cè)弱下沉運(yùn)動(dòng)形成的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)、以及它們形成的雙圈垂直次級(jí)環(huán)流可能是本次暴雨形成的物理機(jī)制。

3)低層風(fēng)向快速變化使關(guān)中暴雨區(qū)低空水汽經(jīng)歷了減小—突然增加—快速減小的過程,關(guān)中周圍水汽的集中為暴雨形成提供了水汽和位勢(shì)不穩(wěn)定條件,水汽的聚集是通過偏東氣流的輸送實(shí)現(xiàn)的,而水汽的快速變化又形成關(guān)中暴雨的突發(fā)性和歷時(shí)短而強(qiáng)的特征。

4)關(guān)中強(qiáng)暴雨過程的東西向雨帶與秦嶺山脈和關(guān)中地區(qū)喇叭口地形有關(guān),雨帶上的降水非均勻分布,強(qiáng)暴雨集中在岐山、禮泉和高陵3個(gè)中心,它們是由一個(gè)MαCS的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生的,MαCS又是由2個(gè)MβCS合并發(fā)展而成,其內(nèi)部對(duì)流單體的發(fā)展合并和獨(dú)立加強(qiáng)形成不同的降水中心。

5)地面中尺度輻合系統(tǒng)是本次強(qiáng)降雨的直接制造者,地面風(fēng)速和風(fēng)向的快速變化,使地面輻合系統(tǒng)隨之經(jīng)歷了增強(qiáng)、減弱、再增強(qiáng)、再減弱的過程,從而使暴雨過程強(qiáng)降雨范圍、強(qiáng)度經(jīng)歷突然增大—有所減小—再次增大至最大—突然減小至消失的過程。

6)本次關(guān)中強(qiáng)暴雨過程中,低層沒有南風(fēng)急流輸送水汽,暴雨形成所需的水汽源于暴雨區(qū)周圍的高濕區(qū),這明顯不同于陜南、陜北暴雨,陜南暴雨一般有低空偏南風(fēng)急流或偏東風(fēng)急流(偏東風(fēng)氣流)將南?；驏|海水汽輸送至暴雨區(qū)(杜繼穩(wěn),2005),陜北暴雨一般由中低層西南急流將水汽由孟加拉灣經(jīng)青藏高原東部輸送到暴雨區(qū)(王文,程攀,2013)。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

TheenvironmentalconditionsandmesoscalesystemofaheavyrainfalloverthecentralShaanxiPlainon8—9August2007

MU Jian-li1,CHEN Yun2,LI Ze-chun2

(1.Service Center of Public Meteorology,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China;2.National Meteorological Center,Beijing 100081,China)

The process of a brief heavy rainfall on 8—9 August 2007 over the Central Shaanxi Plain was analyzed using the T213 data and high space and time resolution data including automatic meteorological observing station data.The results indicate that the brief heavy rainfall occurred under favorable large-scale ciuculation backgrounds,including the break of high-pressured dam,which resulted from the development merge of Qingqhai-Tibet Plain pressure and the west Pacific Ocean subtropical high in the middle level at 500 hPa,right flank divergence field of westerly jet entrance region in the upper level at 250 hPa and the shear line’s development in the low level at 700 hPa.The amount of water vapor in storm experienced changes of decrease,sudden increase and fast decrease,which owed to wind direction fast changes at the low level.The vapor accumulation from surrounding areas of the Center Shaanxi Plain,which was achieved through the easterly current,had provided sufficient vapor and potential instability for the occurrence of the heavy rainstorm.The vapor increased so fast that the rainstorm occurred suddenly,and the rapid decrease of vapor made the rainfall last shortly.The dynamic mechanism of rainstorm was the formation of intense “pavement pumping” effect,the secondary circulation circle and the asymmetric structure between the strong vertical upward movement and the weak dowdward movement due to the development of the upper anticyclone vorticity.The automatic meteorological observing satation data and satellite image data showed that the heavy rainfall was caused by the occurrence and development of MαCS,which came from the mergence and development of MβCS.The convective cells merged,developed and enhanced individually to form the different precipitation centers at Qishan,Liquan and Gaoling.The development of the convective cells resulted from the surface mesoscale convergence system.The changes of strength of the precipitation had a good corresponding relationship with that of the surface mesoscale convergence system.The formation and development of the ground mesoscale convergence systems may be the trigger and development mechanism for the heavy rainfall.

heavy rainfall;condition of circumstance;high-pressure dam in the middle latitude region;meso-β-scale convective system

2013-10-15；改回日期2014-02-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41175048);中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心業(yè)務(wù)基金(K2014002)

慕建利,博士,正研級(jí)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橹谐叨葰庀髮W(xué)、數(shù)值模擬和應(yīng)用氣象,mujL668@sina.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131015005.

1674-7097(2014)05-0591-14

P458.1

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131015005

慕建利,諶云,李澤椿.2014.一次陜西關(guān)中強(qiáng)暴雨環(huán)境條件及中尺度系統(tǒng)分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(5):591-604.

Mu Jian-li,Chen Yun,Li Ze-chun.2014.The environmental conditions and mesoscale system of a heavy rainfall over the central Shaanxi Plain on 8—9 August 2007[J].Trans Atmos Sci,37(5):591-604.(in Chinese)